Nghiên cứu quá trình phát sinh hình thái và sinh trưởng in vitro của một số cây trồng có giá trị kinh tế dưới điều kiện mô phỏng không trọng lực

Nghiên cứu quá trình phát sinh hình thái và sinh trưởng in vitro của một số cây trồng có giá trị kinh tế dưới điều kiện mô phỏng không trọng lực.Nghiên cứu quá trình phát sinh hình thái và sinh trưởng in vitro của một số cây trồng có giá trị kinh tế dưới điều kiện mô phỏng không trọng lực.Nghiên cứu quá trình phát sinh hình thái và sinh trưởng in vitro của một số cây trồng có giá trị kinh tế dưới điều kiện mô phỏng không trọng lực.Nghiên cứu quá trình phát sinh hình thái và sinh trưởng in vitro của một số cây trồng có giá trị kinh tế dưới điều kiện mô phỏng không trọng lực.Nghiên cứu quá trình phát sinh hình thái và sinh trưởng in vitro của một số cây trồng có giá trị kinh tế dưới điều kiện mô phỏng không trọng lực.Nghiên cứu quá trình phát sinh hình thái và sinh trưởng in vitro của một số cây trồng có giá trị kinh tế dưới điều kiện mô phỏng không trọng lực.Nghiên cứu quá trình phát sinh hình thái và sinh trưởng in vitro của một số cây trồng có giá trị kinh tế dưới điều kiện mô phỏng không trọng lực.Nghiên cứu quá trình phát sinh hình thái và sinh trưởng in vitro của một số cây trồng có giá trị kinh tế dưới điều kiện mô phỏng không trọng lực.Nghiên cứu quá trình phát sinh hình thái và sinh trưởng in vitro của một số cây trồng có giá trị kinh tế dưới điều kiện mô phỏng không trọng lực.Nghiên cứu quá trình phát sinh hình thái và sinh trưởng in vitro của một số cây trồng có giá trị kinh tế dưới điều kiện mô phỏng không trọng lực.Nghiên cứu quá trình phát sinh hình thái và sinh trưởng in vitro của một số cây trồng có giá trị kinh tế dưới điều kiện mô phỏng không trọng lực.Nghiên cứu quá trình phát sinh hình thái và sinh trưởng in vitro của một số cây trồng có giá trị kinh tế dưới điều kiện mô phỏng không trọng lực.Nghiên cứu quá trình phát sinh hình thái và sinh trưởng in vitro của một số cây trồng có giá trị kinh tế dưới điều kiện mô phỏng không trọng lực.Nghiên cứu quá trình phát sinh hình thái và sinh trưởng in vitro của một số cây trồng có giá trị kinh tế dưới điều kiện mô phỏng không trọng lực.Nghiên cứu quá trình phát sinh hình thái và sinh trưởng in vitro của một số cây trồng có giá trị kinh tế dưới điều kiện mô phỏng không trọng lực.Nghiên cứu quá trình phát sinh hình thái và sinh trưởng in vitro của một số cây trồng có giá trị kinh tế dưới điều kiện mô phỏng không trọng lực.Nghiên cứu quá trình phát sinh hình thái và sinh trưởng in vitro của một số cây trồng có giá trị kinh tế dưới điều kiện mô phỏng không trọng lực.Nghiên cứu quá trình phát sinh hình thái và sinh trưởng in vitro của một số cây trồng có giá trị kinh tế dưới điều kiện mô phỏng không trọng lực.Nghiên cứu quá trình phát sinh hình thái và sinh trưởng in vitro của một số cây trồng có giá trị kinh tế dưới điều kiện mô phỏng không trọng lực.Nghiên cứu quá trình phát sinh hình thái và sinh trưởng in vitro của một số cây trồng có giá trị kinh tế dưới điều kiện mô phỏng không trọng lực.Nghiên cứu quá trình phát sinh hình thái và sinh trưởng in vitro của một số cây trồng có giá trị kinh tế dưới điều kiện mô phỏng không trọng lực.Nghiên cứu quá trình phát sinh hình thái và sinh trưởng in vitro của một số cây trồng có giá trị kinh tế dưới điều kiện mô phỏng không trọng lực.Nghiên cứu quá trình phát sinh hình thái và sinh trưởng in vitro của một số cây trồng có giá trị kinh tế dưới điều kiện mô phỏng không trọng lực.Nghiên cứu quá trình phát sinh hình thái và sinh trưởng in vitro của một số cây trồng có giá trị kinh tế dưới điều kiện mô phỏng không trọng lực.Nghiên cứu quá trình phát sinh hình thái và sinh trưởng in vitro của một số cây trồng có giá trị kinh tế dưới điều kiện mô phỏng không trọng lực.Nghiên cứu quá trình phát sinh hình thái và sinh trưởng in vitro của một số cây trồng có giá trị kinh tế dưới điều kiện mô phỏng không trọng lực.Nghiên cứu quá trình phát sinh hình thái và sinh trưởng in vitro của một số cây trồng có giá trị kinh tế dưới điều kiện mô phỏng không trọng lực.Nghiên cứu quá trình phát sinh hình thái và sinh trưởng in vitro của một số cây trồng có giá trị kinh tế dưới điều kiện mô phỏng không trọng lực.Nghiên cứu quá trình phát sinh hình thái và sinh trưởng in vitro của một số cây trồng có giá trị kinh tế dưới điều kiện mô phỏng không trọng lực.Nghiên cứu quá trình phát sinh hình thái và sinh trưởng in vitro của một số cây trồng có giá trị kinh tế dưới điều kiện mô phỏng không trọng lực.

VÀ ĐÀO TẠO VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM

HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ

LÊ THẾ BIÊN

NGHIÊN CỨU QUÁ TRÌNH PHÁT SINH HÌNH THÁI

VÀ SINH TRƯỞNG IN VITRO CỦA MỘT SỐ CÂY TRỒNG

CÓ GIÁ TRỊ KINH TẾ DƯỚI ĐIỀU KIỆN MÔ PHỎNG

KHÔNG TRỌNG LỰC

LUẬN ÁN TIẾN SĨ CÔNG NGHỆ SINH HỌC

Hà Nội - 2024

VÀ ĐÀO TẠO VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM

HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ

LÊ THẾ BIÊN

NGHIÊN CỨU QUÁ TRÌNH PHÁT SINH HÌNH THÁI

VÀ SINH TRƯỞNG IN VITRO CỦA MỘT SỐ CÂY TRỒNG

CÓ GIÁ TRỊ KINH TẾ DƯỚI ĐIỀU KIỆN MÔ PHỎNG

LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận án “Nghiên cứu quá trình phát sinh hình thái và

sinh trưởng in vitro của một số cây trồng có giá trị kinh tế dưới điều kiện mô

phỏng không trọng lực” là công trình nghiên cứu của chính mình dưới sự hướng

dẫn khoa học của GS.TS Dương Tấn Nhựt và TS Bùi Văn Thế Vinh Luận án sửdụng thông tin trích dẫn từ nhiều nguồn tham khảo khác nhau và các thông tin tríchdẫn được ghi rõ nguồn gốc Các kết quả nghiên cứu của tôi được công bố chung vớicác tác giả khác đã được sự nhất trí của đồng tác giả khi đưa vào luận án Các sốliệu, kết quả được trình bày trong luận án là hoàn toàn trung thực và chưa từng đượccông bố trong bất kỳ một công trình nào khác ngoài các công trình công bố của tácgiả Luận án được hoàn thành trong thời gian tôi làm nghiên cứu sinh tại Học việnKhoa học và Công nghệ, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam

Hà Nội, ngày 22 tháng 02 năm 2024

Nghiên cứu sinh

Lê Thế Biên

LỜI CẢM ƠN

Sự học là một hành trình tiếp nối liên tục và bền bỉ trong suốt một đờingười Trong chặng đường dài tìm kiếm tri thức để bản thân ngày càng tốt hơn,tôi đã rất may mắn khi gặp được những người dẫn dắt, đồng hành và sẻ chia vôcùng cao quý

Đầu tiên, tôi xin được bày tỏ sự tri ân sâu sắc, lòng tôn kính dạt dào vànghĩa thầy trò lớn lao đến GS.TS Dương Tấn Nhựt - Người Thầy mà số phận sắpđặt như định mệnh để nâng đỡ tôi đến được cái đích cao nhất của sự học trongnhà trường Người Thầy đã giúp đỡ tôi vượt qua giới hạn của bản thân, bước quanhiều ngã rẽ để đạt được một số thành tựu quan trọng Người Thầy đã cho tôitấm gương và niềm cảm hứng về sự phấn đấu không mệt mỏi, tình yêu thươngcon người, yêu thương đất nước, khát khao được sống, được hy sinh và đượccống hiến vô cùng mãnh liệt

Tôi xin được cảm ơn Người Thầy, Người Anh, TS Bùi Văn Thế Vinh đãnhiệt tình hướng dẫn tôi trong suốt quá trình thực hiện luận án và tạo điều kiệncông tác thuận lợi cho tôi trong thời gian dài làm nghiên cứu sinh

Tôi xin cảm ơn tới Người Thầy, Người Em thân quý, TS Hoàng ThanhTùng đã đồng hành cùng với tôi trong một chặng đường rất dài của sự học.Người đã hỗ trợ tôi hết sức, hết lòng và đầy trách nhiệm để tôi học tập, nghiêncứu và hoàn thành luận án một cách tốt nhất

Tôi xin cảm ơn tới ThS Hoàng Đắc Khải, NCS Nguyễn Thị Như Mai,

TS Vũ Quốc Luận, TS Đỗ Mạnh Cường và các cán bộ, nhân viên, các nghiêncứu sinh, học viên cao học, sinh viên đã và đang công tác, học tập tại Phòng Sinhhọc Phân tử và Chọn tạo giống cây trồng – Viện Nghiên cứu Khoa học TâyNguyên đã giúp đỡ tôi vô cùng nhiệt thành và trong sáng trong suốt thời gianqua

Tôi xin cảm ơn Ban Lãnh đạo, cán bộ và nhân viên Học viện Khoa học vàCông nghệ Việt Nam, Viện Nghiên cứu Khoa học Tây Nguyên đã tạo điều kiệnthuận lợi cho tôi trong quá trình học tập và nghiên cứu

Tôi xin cảm ơn tới Quỹ Đổi mới sáng tạo của Tập đoàn Vingroup (VINIF)

đã tài trợ học bổng tiến sĩ trong nước với mã số VINIF.2022.TS013 cho tôi và tài

trợ dự án Khoa học và Công nghệ với mã số VINIF.2023.DA075 mà tôi là thànhviên Đây là sự hỗ trợ rất có ý nghĩa cho bản thân tôi trong quá trình học tập vànghiên cứu.

Đặc biệt, tôi xin được gửi lời cảm ơn sâu nặng tới TS Nguyễn ĐìnhChiến, Người Anh mà cuộc đời đã gieo duyên lành cho tôi được gặp để nhậnđược từ Anh sự giúp đỡ vô cùng to lớn về tinh thần và vật chất Tình cảm thanhkhiết đó của Anh là nguồn cổ vũ mạnh mẽ và hy vọng lớn lao cho tôi trong suốtcuộc đời

Cuối cùng, tôi xin gửi lời cảm ơn đến gia đình, thầy cô, bạn bè, đồngnghiệp và học trò – những người không thể thiếu trong cuộc đời tôi Họ là nguồncảm hứng, niềm tin và niềm hi vọng bất tận để tôi bước tiếp trên hành trình sựhọc, sự nghiệp của đời mình

Xin chân thành cảm ơn!

Hà Nội, ngày 22 tháng 02 năm 2024

Nghiên cứu sinh

Lê Thế Biên

MỤC LỤC

Trang

Lời cam đoan i

Lời cảm ơn ii

Mục lục iv

Danh mục chữ viết tắt viii

Danh mục bảng x

Danh mục hình và sơ đồ xii

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU 5

1.1.Thực vật và trọng lực 5

1.2 Điều kiện không trọng lực thực và điều kiện mô phỏng không trọng lực 5

1.2.1 Điều kiện không trọng lực thực 6

1.2.2 Điều kiện mô phỏng không trọng lực 7

1.2.2.1 Clinostat 2-D và 3-D 8

1.2.2.2 Máy định vị ngẫu nhiên 9

1.3 Quá trình phát sinh hình thái thực vật dưới điều kiện MG 10

1.4 Quá trình sinh trưởng của thực vật dưới điều kiện MG 12

1.5 Sự thay đổi sinh lý và sinh hóa của thực vật dưới điều kiện MG 15

1.6 Sơ lược về đối tượng thực vật 22

1.6.1 Cây hoa Thu hải đường 22

1.6.2 Cây Dâu tây 23

1.6.3 Cây Diệp hạ châu đắng 24

CHƯƠNG 2 ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 26

2.1 Đối tượng 26

2.1.1 Đối tượng thực vật 26

2.1.2 Môi trường nuôi cấy 26

2.1.3 Thiết bị, dụng cụ và hóa chất 26

2.2 Nội dung nghiên cứu 28

2.2.1 Nội dung 1: Nghiên cứu ảnh hưởng của điều kiện SMG lên các con

đường phát sinh hình thái của mẫu cấy cây hoa Thu hải đường, cây Dâu

tây và cây Diệp hạ châu đắng nuôi cấy in vitro 28

2.2.2 Nội dung 2: Nghiên cứu ảnh hưởng của điều kiện SMG lên hàm lượng,

tỷ lệ hormone nội sinh và chuyển hóa năng lượng trong quá trình phátsinh hình thái của mẫu cấy cây hoa Thu hải đường; hàm lượng, tỷ lệhormone nội sinh và hoạt tính enzyme kháng oxy hóa của mẫu cấy câyDâu tây và cây Diệp hạ châu đắng; khả năng tích lũy hợp chất thứ cấp

của mẫu cấy cây Diệp hạ châu đắng nuôi cấy in vitro 28

2.2.3 Nội dung 3: Nghiên cứu ghi nhận sự sinh trưởng ở điều kiện trọng lực

thực của mẫu cấy cây hoa Thu hải đường, cây Dâu tây và cây Diệp hạ

châu đắng có nguồn gốc nuôi cấy in vitro dưới điều kiện SMG 28

2.3 Phương pháp nghiên cứu 292.3.1 Bố trí thí nghiệm 29

2.3.1.1 Thí nghiệm 1: Nghiên cứu ảnh hưởng của điều kiện SMG lên sự

phát sinh SEs của mẫu cấy p-tTCL cây hoa Thu hải đường nuôi cấy in vitro 29 2.3.1.2 Thí nghiệm 2: Nghiên cứu ảnh hưởng của điều kiện SMG lên sự

phát sinh mô sẹo và chồi của mẫu cấy lá cây Dâu tây nuôi cấy in

vitro 29 2.3.1.3 Thí nghiệm 3: Nghiên cứu ảnh hưởng của điều kiện SMG lên sự

phát sinh mô sẹo và rễ bất định của mẫu lóng thân cây Diệp hạ châu đắng nuôi cấy in vitro 30 2.3.1.4 Thí nghiệm 4: Nghiên cứu ảnh hưởng của điều kiện SMG lên hàm

lượng và tỷ lệ hormone nội sinh trong quá trình phát sinh hình thái SEs cây hoa Thu hải đường, chồi cây Dây tây, mô sẹo và rễ

bất định cây Diệp hạ châu đắng nuôi cấy in vitro 30 2.3.1.5 Thí nghiệm 5: Nghiên cứu ảnh hưởng của điều kiện SMG lên hoạt

tính enzyme kháng oxy hóa trong qua trình phát sinh mô sẹo cây Dâu tây, mô sẹo và rễ bất định cây Diệp hạ châu đắng nuôi cấy in

vitro 32

2.3.1.6 Thí nghiệm 6: Nghiên cứu ảnh hưởng của điều kiện SMG lên sự

tích lũy hợp chất thứ cấp trong quá trình phát sinh mô sẹo và rễ

bất định cây Diệp hạ châu đắng nuôi cấy in vitro 33

2.3.1.7 Thí nghiệm 7: Nghiên cứu ảnh hưởng của điều kiện SMG lên sự chuyển hóa năng lượng (tinh bột và đường) trong quá trình phát sinh SEs cây hoa Thu hải đường nuôi cấy in vitro 34

2.3.1.8 Thí nghiệm 8: Nghiên cứu ghi nhận sự sinh trưởng ở môi trường trọng lực thực của chồi và cây con Thu hải đường, cây Dâu tây có nguồn gốc nuôi cấy in vitro dưới điều kiện SMG 36

Thí nghiệm 8.1 Nghiên cứu ghi nhận sự sinh trưởng ở môi trường trọng lực thực của chồi và cây con Thu hải đường có nguồn gốc nuôi cấy in vitro dưới điều kiện SMG 36

Thí nghiệm 8.2 Nghiên cứu ghi nhận sự sinh trưởng ở môi trường trọng lực thực của chồi và cây con Dâu tây có nguồn gốc nuôi cấy in vitro dưới điều kiện SMG 36

2.3.1.9 Thí nghiệm 9: Nghiên cứu ghi nhận sự tăng sinh ở môi trường trọng lực thực của mô sẹo cây Diệp hạ châu đắng có nguồn gốc nuôi cấy in vitro dưới điều kiện SMG 37

2.3.1.10 Thí nghiệm 10: Nghiên cứu ghi nhận sự thích nghi ở vườn ươm của cây con Dâu tây có nguồn gốc nuôi cấy in vitro dưới điều kiện SMG 37

2.3.2 Phương pháp quan sát hình thái 38

2.2.3 Điều kiện nuôi cấy 38

2.3.4 Phương pháp xử lý số liệu 39

2.4 Địa điểm và thời gian nghiên cứu 40

2.4.1 Địa điểm nghiên cứu 40

2.4.2 Thời gian nghiên cứu 40

CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 41

3.1 Ảnh hưởng của điều kiện SMG lên sự phát sinh SEs của mẫu cấy p-tTCL cây hoa Thu hải đường nuôi cấy in vitro 41

3.2 Ảnh hưởng của điều kiện SMG lên sự phát sinh mô sẹo và chồi của mẫu

cấy lá cây Dâu tây nuôi cấy in vitro 50

3.3 Ảnh hưởng của điều kiện SMG lên sự phát sinh mô sẹo và rễ bất định của

mẫu cấy lóng thân cây Diệp hạ châu đắng nuôi cấy in vitro 55

3.4 Ảnh hưởng của điều kiện SMG lên hàm lượng hormone nội sinh trong quá

trình phát sinh SEs cây hoa Thu hải đường, chồi cây Dâu tây, mô sẹo và rễ

bất định cây Diệp hạ châu đắng nuôi cấy in vitro 58

3.5 Ảnh hưởng của điều kiện SMG lên hoạt tính enzyme kháng oxy hóa trong

quá trình phát sinh mô sẹo cây Dâu tây, mô sẹo và rễ bất định cây Diệp hạ

châu đắng nuôi cấy in vitro 64

3.6 Ảnh hưởng của điều kiện SMG lên sự tích lũy hợp chất thứ cấp trong quá

trình phát sinh mô sẹo và rễ bất định cây Diệp hạ châu đắng nuôi cấy

in

vitro 66 3.7 Ảnh hưởng của điều kiện SMG lên sự chuyển hóa năng lượng (tinh bột và

đường) trong quá trình phát sinh SEs cây hoa Thu hải đường nuôi cấy

in

vitro 69 3.8 Nghiên cứu ghi nhận sự sinh trưởng ở môi trường trọng lực thực của chồi

và cây con Thu hải đường, cây Dâu tây có nguồn gốc nuôi cấy in vitro dưới

điều kiện SMG 74

3.8.1 Nghiên cứu ghi nhận sự sinh trưởng ở môi trường trọng lực thực của

chồi và cây con Thu hải đường có nguồn gốc nuôi cấy in vitro dưới

điều kiện SMG 74

3.8.2 Nghiên cứu ghi nhận sự sinh trưởng ở môi trường trọng lực thực của

chồi và cây con Dâu tây có nguồn gốc nuôi cấy in vitro dưới điều kiện

SMG 78

3.9 Nghiên cứu ghi nhận sự tăng sinh của mô sẹo cây Diệp hạ châu đắng có

nguồn gốc nuôi cấy in vitro dưới điều kiện SMG 81

3.10 Nghiên cứu ghi nhận sự thích nghi ở vườn ươm của cây Dây tây con có

nguồn gốc nuôi cấy in vitro dưới điều kiện SMG 84

3.11 Đề xuất quy trình vi nhân giống cây hoa Thu hải đường, cây Dây tây và

sản xuất hợp chất thứ cấp trên cây Diệp hạ châu đắng 88

CHƯƠNG 4 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 91

4.1 Kết luận 91

4.2 Kiến nghị 91

DANH MỤC CÔNG TRÌNH CÔNG BỐ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN 93

DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO 94

DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT

2,4-D 2,4-dichlorophenoxyacetic acid Axit 2,4-dichlorophenoxyacetic

½ MS ½ Murashige and Skoog Môi trường Murashige và Skoog

giảm một nửa khoáng đa lượng

Clinostat 2-D two-Dimentional Clinostat Clinostat hai chiều

Clinostat 3-D three-Dimentional Clinostat Clinostat ba chiều

DPPH 2,2-Diphenyl-1-picrylhydrazyl 2,2-Diphenyl-1-picrylhydrazyl

GOPOD Glucose oxidase-peroxidase Glucose oxidase-peroxidase

HPLC High-performance liquid

chromatography Sắc ký lỏng hiệu năng cao

IBA Indole-3-butyric acid Axit Indole-3-butyric

ISS International Space Station Trạm vũ trụ quốc tế

JAXA Japan Aerospace Exploration

NAA α-naphtaleneacetic acid Axit α-naphtaleneacetic

NASA National Aeronautics and

Mẫu cuống lá được cắt bằng

kỹ thuật lớp mỏng tế bào theochiều ngang

ROS Reactive Oxygen Species Các gốc oxy hóa hoạt động

RSA Radical scavenging activity Hoạt tính bắt gốc tự do

SMG Simulated microgravity Mô phỏng không trọng lực

DANH MỤC BẢNG

Trang

Bảng 1.1 So sánh các thông số kỹ thuật của một số thiết bị SMG 9 Bảng 3.1 Ảnh hưởng của điều kiện SMG lên sự phát sinh mô sẹo và chồi

của mẫu lá Dâu tây sau 2, 3, 4 và 6 tuần nuôi cấy 54

Bảng 3.2 Ảnh hưởng của điều kiện SMG lên sự phát sinh mô sẹo và rễ bất

định của mẫu lóng thân cây Diệp hạ châu đắng in vitro sau 2, 3 và

4 tuần nuôi cấy 57

Bảng 3.3 Ảnh hưởng của điều kiện SMG lên hàm lượng hormone nội sinh ở

mô sẹo rễ bất định cây Diệp hạ châu đắng sau 4 tuần nuôi cấy 63

Bảng 3.4 Ảnh hưởng của điều kiện SMG lên hoạt tính enzyme kháng oxy

hóa của mô sẹo/chồi cây Dâu tây sau 2, 3, 4 và 6 tuần nuôi cấy 66

Bảng 3.5 Ảnh hưởng của điều kiện SMG lên hoạt tính enzyme kháng oxy

hóa ở mô sẹo và rễ bất định cây Diệp hạ châu đắng sau 2, 3 và 4

tuần nuôi cấy 67

Bảng 3.6 Sự tích lũy hợp chất thứ cấp ở mô sẹo và rễ bất định cây Diệp hạ

châu đắng sau 4 tuần nuôi cấy dưới điều kiện SMG 68

Bảng 3.7 Ảnh hưởng của điều kiện SMG lên hàm lượng tinh bột và đường

của SEs cây hoa Thu hải đường sau 1, 2, 3 và 4 tháng nuôi cấy 73

Bảng 3.8 Sự sinh trưởng và phát triển của chồi cây hoa Thu hải đường có

nguồn gốc dưới điều kiện SMG sau 1 tháng nuôi cấy ở điều kiện

trọng lực thực 76

Bảng 3.9 Sự sinh trưởng và phát triển của cây hoa Thu hải đường con hoàn

chỉnh có nguồn gốc dưới điều kiện SMG sau 3 tháng nuôi cấy ở

môi trường trọng lực thực 77

Bảng 3.10 Sự sinh trưởng trong quá trình nhân nhanh chồi của cây Dâu tây

có nguồn gốc dưới điều kiện SMG sau 4 tuần nuôi cấy ở môi

trường trọng lực thực 79

Bảng 3.11 Sự sinh trưởng và phát triển trong quá trình tạo rễ in vitro của chồi

cây Dâu tây có nguồn gốc dưới điều kiện SMG sau 2 tuần nuôi

cấy ở môi trường trọng lực thực 80

Bảng 3.12 Sự tăng sinh mô sẹo cây Diệp hạ châu đắng có nguồn gốc dưới

điều kiện SMG sau 4 tuần nuôi cấy ở môi trường trọng lực thực 83

Bảng 3.13 Sự thích nghi của cây Dâu tây có nguồn gốc dưới điều kiện SMG

ở giai đoạn vườn ươm 86

Bảng 3.14 Sự hình thành ngó của cây Dâu tây có nguồn gốc dưới điều kiện

SMG ở giai đoạn vườn ươm 87

DANH MỤC HÌNH VÀ SƠ ĐỒ

Trang

Hình 2.1. Thiết bị Clinostat 2-D 27

hoa Thu hải đường in vitro sau 30 ngày nuôi cấy 41

của mẫu cấy cây hoa Thu hải đường in vitro sau 1, 2, 3 và 4 tháng

nuôi cấy 42

tTCL cây hoa Thu hải đường in vitro sau 1, 2, 3 và 4 tháng nuôi cấy 45

trưởng thành của mẫu cấy p-tTCL cây hoa Thu hải đường in vitro 49

mẫu lá Dâu tây in vitro sau 2, 3, 4 và 6 tuần nuôi cấy 53

định của mẫu lóng thân cây Diệp hạ châu đắng in vitro sau 2, 3 và 4

tuần nuôi cấy 56

nội sinh trong SEs mẫu cấy p-tTCL cây hoa Thu hải đường in vitro 59

nội sinh trong chồi mẫu cấy lá cây Dâu tây in vitro sau 6 tuần nuôi

cấy 60

tổng số trong giai đoạn cảm ứng SEs cây hoa Thu hải đường nuôi

cấy in vitro 70

Hình 3.10 Sự tăng sinh mô sẹo cây Diệp hạ châu đắng có nguồn gốc dưới điều

kiện SMG sau 4 tuần nuôi cấy in vitro ở môi trường trọng lực thực 82

Hình 3.11 Sự sinh trưởng và phát triển của chồi, cây con và hình thành ngó của

cây Dâu tây có nguồn gốc nuôi cấy dưới điều kiện SMG ở vườn ươm 85

Sơ đồ 3.1 Quy trình nhân giống cây hoa Thu hải đường thông qua quá trình

phát sinh hình thái dưới điều kiện SMG 88

Sơ đồ 3.2 Quy trình nhân giống cây Dâu tây thông qua quá trình phát sinh hình

thái dưới điều kiện SMG 89

Sơ đồ 3.3 Quy trình sản xuất hợp chất thứ cấp trên cây Diệp hạ châu đắng

thông qua quá trình phát sinh hình thái dưới điều kiện SMG 90

kỷ qua để hiểu rõ hơn về ảnh hưởng của không trọng lực đối với nhiều loại thực vật.Khi con người khám phá sâu vào vũ trụ, công tác hậu cần và bài toán kinh tế củaviệc vận chuyển thực phẩm đóng gói cho thành viên phi hành đoàn ngày càng trởnên không thực tế Bên cạnh đó, các chất dinh dưỡng có xu hướng cạn kiệt đáng kểtrong thực phẩm đóng gói khi được bảo quản trong không gian [1] Do đó, các thínghiệm sinh học thực vật trong không gian là cần thiết nhằm cung cấp thực phẩmtươi sống cho phi hành gia và phát triển thành hệ thống tái tạo sinh học bền vững hỗtrợ sự sống để khám phá không gian trong thời gian dài.

Trong năm thập kỷ qua, những hiểu biết thú vị đã được tiết lộ về sinh họcthực vật thông qua nghiên cứu các chuyến bay của tàu vũ trụ quanh quỹ đạo và cácnền tảng điều kiện mô phỏng không trọng lực (Simulated microgravity - SMG)bằng các thiết bị như Clinostat (2-D và 3-D), máy định vị ngẫu nhiên (RPM) trênmặt đất Ví dụ, ảnh hưởng của MG lên những thay đổi ở cấp độ tế bào và phân tửdẫn đến thay đổi kiểu hình của thực vật như những thay đổi trong thành tế bào [2],[3] và chu kỳ tế bào [4], [5] đã được làm sáng tỏ chi tiết Quá trình phân chia mạnh

mẽ và tăng sinh của tế bào thực vật đã được quan sát rõ ràng dưới điều kiện MG[6], [5], [4], [7], các phản ứng sinh lý, đặc biệt là sự phân bố/dịch chuyển của các tếbào sỏi thăng bằng (statolith), quá trình quang hợp và sự biến dạng của các hạt tinhbột đã được báo cáo [8], [9], [10], [11] Sự thay đổi sinh hóa cụ thể là thay đổi hàmlượng chất diệp lục, thay đổi vị trí các hormone thực vật và cân bằng nội môi canxitrong tế bào để đáp ứng không trọng lực đã được ghi nhận rõ ràng [12], [13], [14].Các kiến thức thu được thông qua các thí nghiệm này đã được ứng dụng thành côngvới việc trồng cây Xà lách của Cơ quan hàng không và vũ trụ Hoa Kỳ (NASA) trên

Trạm Vũ trụ quốc tế (ISS) để góp phần bổ ích vào chế độ ăn uống của phi hành đoàn.

Bên cạnh đó, kết quả từ Chương trình Hạt giống không gian cho tương laiChâu Á giai đoạn 2010 – 2011 cho thấy việc xử lý hạt giống ở môi trường khôngtrọng lực rồi đem về gieo trồng ở mặt đất đã cho thấy hạt giống được kích thích nảymầm nhiều hơn và tăng khả năng tích lũy các hợp chất thứ cấp trong cây Điều này

mở ra tiềm năng to lớn cho lĩnh vực công nghệ sinh học trong việc chọn tạo giốngmới cũng như sản xuất sinh khối và thu nhận các dược chất quý phục vụ cho côngnghiệp dược phẩm [15]

Tuy nhiên, đa số các nghiên cứu kể trên được thực hiện trong không gian đòihỏi trình độ kỹ thuật chuyên môn cao từ các nhà khoa học, các chế độ kiểm soátnghiêm ngặt cũng như cơ sở vật chất hiện đại nên bị giới hạn trong phạm vi một sốcường quốc về không gian Các quốc gia đang phát triển như Việt Nam chưa có đủtiềm lực về kinh tế và trình độ khoa học kỹ thuật để thực hiện các nghiên cứu trongđiều kiện này Vì vậy, việc lựa chọn một giải pháp khả thi hơn đã được thúc đẩybằng thiết bị mô phỏng điều kiện không trọng lực trên mặt đất được xem là phù hợpcho việc nghiên cứu chủ động và dài hạn trong bối cảnh khoa học vũ trụ còn rất nontrẻ của nước nhà Đặc biệt, việc nghiên cứu để tìm hiểu quá trình phát sinh hình thái

và sinh trưởng của thực vật bằng kỹ thuật nuôi cấy mô tế bào dưới điều kiện môphỏng không trọng lực là phương pháp tối ưu cho việc ghi nhận vai trò của khôngtrọng lực ở các giai đoạn sớm trong chu trình sống của thực vật Từ đó, chọn lọcđược những biến dị mới cung cấp nguồn nguyên liệu cho chọn tạo giống và sảnxuất sinh khối thực vật, cũng như cung cấp thêm các tri thức mới cho sứ mệnhchinh phục không gian của loài người bằng việc tạo ra các hệ thống hỗ trợ sự sốngsinh học bên ngoài Trái Đất

Đề tài “Nghiên cứu quá trình phát sinh hình thái và sinh trưởng in vitro

của một số cây trồng có giá trị kinh tế dưới điều kiện mô phỏng không trọng lực” là hướng nghiên cứu mới trên thế giới cũng như tại Việt Nam Nghiên cứu

được thực hiện trên ba loại cây trồng đại diện cho nhóm cây hoa cảnh (Thu hảiđường), cây ăn trái (Dâu tây) và cây dược liệu (Diệp hạ châu đắng) đã được khẳngđịnh có giá trị kinh tế cao cũng như kỳ vọng chúng là các giống cây trồng có khả

năng đáp ứng được nhu cầu cơ bản về dinh dưỡng, sức khỏe và tinh thần cho conngười khi sống bên ngoài Trái Đất.

Mục tiêu của đề tài

Mục tiêu tổng quát

Đánh giá ảnh hưởng của điều kiện SMG lên quá trình phát sinh hình thái và

sinh trưởng in vitro của mẫu cấy cây hoa Thu hải đường, cây Dâu tây và cây Diệp

Nghiên cứu ghi nhận sự sinh trưởng ở điều kiện trọng lực thực của cây hoaThu hải đường, cây Dâu tây và sự gia tăng sinh khối của mô sẹo cây Diệp hạ châu

đắng có nguồn gốc nuôi cấy in vitro dưới điều kiện SMG.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của đề tài

Đối tượng nghiên cứu

Điều kiện mô phỏng không trọng lực được tạo ra bởi thiết bị Clinostat 2-Dvới vòng quay 2 vòng/phút (rpm) được sử dụng để nghiên cứu quá trình phát sinh

hình thái và sinh trưởng in vitro của cây hoa Thu hải đường, cây Dâu tây và cây

Nghiên cứu về sự sinh trưởng ở điều kiện trọng lực thực của cây hoa Thu hải

đường, cây Dâu tây và cây Diệp hạ châu đắng có nguồn gốc nuôi cấy in vitro dưới điều kiện SMG.

Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

Ý nghĩa khoa học

Luận án này được thực hiện với sự kết hợp liên ngành khoa học sự sống vàkhoa học vũ trụ bằng việc ứng dụng hệ thống Clinostat 2-D để tạo ra môi trường

SMG nhằm đánh giá được vai trò của MG đối với sự phát sinh và sinh trưởng in

vitro của cây hoa Thu hải đường, cây Dâu tây và cây Diệp hạ châu đắng Kết quả

của luận án cho thấy dưới điều kiện stress trọng lực, thực vật đã có những thay đổi

về mặt sinh lý, sinh hóa phù hợp theo từng đối tượng để thích nghi Kết quả này làdẫn liệu tham khảo có giá trị trong nghiên cứu và giảng dạy lĩnh vực công nghệ sinhhọc thực vật

Ý nghĩa thực tiễn

Luận án đã cho thấy quá trình phát sinh hình thái và sinh trưởng in vitro của

cây hoa Thu hải đường, cây Dâu tây và cây Diệp hạ châu đắng không những diễn rabình thường mà thậm chí tỏ ra ưu việt hơn dưới điều kiện MG Kết quả này gợi mởhướng nghiên cứu công nghệ sinh học thực vật trong môi trường không trọng lựcphù hợp với điều kiện của các quốc gia đang phát triển như Việt Nam nhằm nângcao chất lượng vi nhân giống cây trồng cũng như làm nền tảng cho việc thiết lập các

hệ sinh thái nông nghiệp vũ trụ trong tương lai

Những đóng góp mới của luận án

Luận án là công trình nghiên cứu đầu tiên ở Việt Nam và trên thế giới (tínhđến thời điểm nghiên cứu được công bố) về ảnh hưởng của điều kiện SMG lên quá

trình phát sinh hình thái và sinh trưởng in vitro của cây hoa Thu hải đường, cây Dâu

tây và cây Diệp hạ châu đắng

Kết quả thu được cho thấy điều kiện SMG dẫn tới các con đường phát sinhhình thái khác nhau của cây hoa Thu hải đường, cây Dâu tây và cây Diệp hạ châuđắng Các đối tượng thực vật trong nghiên cứu đã có những thay đổi về sinh lý, sinhhóa để đáp ứng thích nghi với điều kiện trọng lực bị thay đổi Ngoài ra, các mẫu cấy

phát sinh hình thái in vitro dưới điều kiện SMG khi được đưa về nuôi cấy ở điều

kiện trọng lực thực có sự sinh trưởng ưu việt hơn so với đối chứng

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU1.1 Thực vật và trọng lực

Trong hàng triệu năm tiến hóa và phát triển sự sống trên Trái Đất, mọi sinhvật sống liên tục chịu ảnh hưởng của trọng lực Do đó, trọng lực hoạt động như mộtnguồn tín hiệu chi phối tất cả các hoạt động sống và trao đổi chất, thậm chí cả sựsinh sản và tuổi thọ của các sinh vật, bao gồm cả thực vật Thực vật đã sử dụngtrọng lực như một nguồn tín hiệu ổn định và đáng tin cậy nhất cho sự sống sót củachúng [16] Tính hướng trọng lực hay là phản ứng định hướng sự phản triển củathực vật so với trọng lực đóng vai trò lớn trong việc xác định hướng cũng như hìnhdạng cấu trúc của cây Lực hấp dẫn được chia thành ba giai đoạn: 1) Cảm nhậnvector trọng lực của các tế bào chuyên biệt; 2) Sự truyền tín hiệu sinh hóa từ các tếbào chuyên biệt nhận biết trọng lực đến vùng kéo dài; 3) Sự phát triển khác biệt ởvùng kéo dài để định hướng phát triển liên quan đến vector trọng lực [17] Ở rễ, sựđịnh hướng này thường theo hướng của vector trọng lực (hướng trọng lực dương),trong khi ở các bộ phận khác của thực vật trên mặt đất, sự phát triển nói chungngược với vector trọng lực (hướng trọng lực âm)

Các quan sát về hướng động của thực vật xảy ra vào thời kỳ Cổ đại khi họctrò của Aristotle quan sát phản ứng hướng quang và đã đưa ra nhận định sai lầm khicho rằng hiện tượng uốn cong là do một bên của thực vật bị khô [18] Vào năm

1806, Knight thực hiện một thí nghiệm bằng việc sử dụng bánh xe quay để quan sát

sự nảy mầm của hạt giống trong điều kiện vector trọng lực bị thay đổi, đây có thểxem là một nghiên cứu đầu tiên về tác động của điều kiện không trọng lực lên thựcvật [19] Knight phát hiện ra rằng những cây con mọc trên bánh xe quay vuông gócvới vector trọng lực sẽ định vị rễ của chúng hướng về tâm của bánh xe và kết luậnrằng trọng lực chịu trách nhiệm một phần cho sự định hướng của cây Sự hiểu biếthiện tại của chúng ta về phản ứng của trọng lực với thực vật bắt đầu được hoànthiện vào cuối những năm 1800 khi Charles và Francis Darwin xuất bản cuốn sách

“Sức mạnh của sự chuyển động ở thực vật” [20] Trong cuốn sách này, Darwin đã

mô tả chi tiết các chuyển động qua trung gian tăng trưởng của thực vật và cung cấpnền tảng để hiểu các cơ chế chịu trách nhiệm về phản ứng của thực vật với các kíchthích bên ngoài Công trình này cũng đã đưa ra giả thuyết về một yếu tố tín hiệu có

khả năng di chuyển từ vị trí bị kích thích đến vị trí đáp ứng Giả thiết này cuối cùng

đã dẫn tới việc xác định được các hormone thực vật như auxin [17]

Hướng theo vectơ trọng lực cho phép rễ phát triển bám chắc xuống đất và tạođiều kiện cho việc hấp thu nước và các ion khoáng cần thiết cho sự tăng trưởng vàphát triển của thực vật [21] Hoson và Wakabayashi (2015) đã báo cáo rằng trọnglực là nguồn tín hiệu để kích thích sinh tổng hợp và trùng hợp các thành phần củavách tế bào để giúp thực vật đủ khả năng tự hỗ trợ trọng lượng của chúng [16].Nghiên cứu lĩnh vực này không chỉ dừng lại trong vấn đề đóng góp cho ngành khoahọc cơ bản và nâng cao hiểu biết của con người về tương tác giữa thực vật và trọnglực, mà còn được cho là rất cần thiết cho các chương trình thám hiểm không gian;trong đó, việc thiết kế và xây dựng các hệ thống hỗ trợ sự sống thành công sẽ làđiều bắt buộc trong các chuyến bay dài hạn [5]

1.2 Điều kiện không trọng lực thực và mô phỏng không trọng lực

1.2.1 Điều kiện không trọng lực thực

Điều kiện không trọng lực thực (True microgravity - TMG) là một thuật ngữdùng để mô tả trọng lực ở giá trị vô cùng nhỏ (10-2 - 10-6 g) so sánh với trọng lựctiêu chuẩn trên bề mặt Trái Đất (1 g) Điều kiện này có thể đạt được trong cácchuyến bay vào không gian bằng tàu vũ trụ [22] hoặc trong các vệ tinh và tên lửađược phóng từ Trái Đất vào vũ trụ [23]

Mọi vật đều có lực hấp dẫn, đó là loại lực được biết là có khả năng hút mọivật thể về phía nó, đó là lý do quỹ đạo của Trái Đất quay quanh Mặt Trời hoặc MặtTrăng quay quanh Trái Đất được giữ ổn định Tuy nhiên, lực hấp dẫn tỷ lệ nghịchvới khoảng cách, do đó lực này càng yếu đi khi khoảng cách giữa các vật càng lớn.Trong điều kiện không gian, chỉ còn một lượng rất nhỏ trọng lực được tìm thấy nên

đa số ý kiến đều thống nhất rằng có thể xem điều kiện không gian không có trọnglực

Nghiên cứu sinh học trong điều kiện TMG rõ ràng đòi hỏi trình độ kỹ thuậtchuyên môn cao từ các nhà khoa học cũng như các thiết bị cơ sở vật chất hiện đạigắn liền với nền kinh tế phát triển của một quốc gia Các nước đang phát triển nhưViệt Nam có lẽ chưa đủ tiềm lực cả về mặt khoa học và kinh tế để thực hiện cácnghiên cứu trong điều kiện này Brungs và cộng sự (2016) đã báo cáo rằng việc tiếpcận hạn chế với các chuyến bay vào vũ trụ và tốn kém kinh phí đã thúc đẩy sự tìm

kiếm giải pháp để đạt được điều kiện không trọng lực (Microgravity - MG) trên mặtđất ở mức độ có thể chấp nhận Do đó, các cơ sở thiết bị để mô phỏng điều kiện

MG trên mặt đất đã và đang được xem là một phương pháp phù hợp cho các nghiêncứu sinh học chủ động và dài hạn [24]

1.2.2 Điều kiện mô phỏng không trọng lực

Thuật ngữ “mô phỏng không trọng lực” (Simulated microgravity - SMG)được áp dụng đối với các thí nghiệm sử dụng hệ thống mô phỏng, bao gồm cácthông số tạo ra sự mô phỏng (kích thước và hình dạng buồng chứa mẫu, chế độ hoạtđộng, tốc độ quay hay đường kính ống) [25] Điều này xuất phát từ việc tiếp cậnhạn chế các chuyến bay vào vũ trụ với với yêu cầu trình độ khoa học kỹ thuật cao

và chi phí đắt đỏ Do đó, việc tìm ra giải pháp thay thế bằng cách sử dụng các thiết

bị mô phỏng không trọng lực được xem là rất khả thi cho các nghiên cứu sinh học[24]

Hình 1.1 Sự lắng đọng của các lạp bột trong điều kiện trọng lực, TMG và SMG

A: Sự lắng đọng của lạp bột bởi trọng lực; B: Sự phân tán tự do của lạp bột trong điều kiện không trọng lực thực; C: Chuyển động quanh bản thân của lạp bột trong

điều kiện mô phỏng không trọng lực

Cơ quan vũ trụ châu Âu (ESA), Cơ quan nghiên cứu và phát triển hàngkhông vũ trụ Nhật Bản (JAXA), Cơ quan vũ trụ và hàng không Hoa Kỳ (NASA) đãchế tạo ra nhiều loại thiết bị SMG như Clinostat 2-D (two-Dimentional Clinostat),Clinostat 3-D (three-Dimentional Clinostat), máy định vị ngẫu nhiên (Random

positioning machine - RPM), thiết bị tạo lực nâng từ trường (Magnetic levitation),

có các thông số kỹ thuật cụ thể (Bảng 1.1) với mục đích cung cấp và hỗ trợ thiết bịcho các nước có nền khoa học chưa phát triển phục vụ công tác nghiên cứu khoahọc MG Nguyên lý chung của các thiết bị này phân bố ngẫu nhiên sự định hướngtrọng lực của Trái Đất lên mẫu vật, từ đó các mẫu được xử lý không cảm nhận đượctác động của trọng lực và sẽ có các biểu hiện tương tự điều kiện TMG trong khônggian (Hình 1.1); do đó, tốc độ xoay của thiết bị mô phỏng buộc phải nhanh hơn quátrình sinh học được nghiên cứu của mẫu vật, nhưng không nhanh đến mức làm chocác lực khác được đưa vào, ví dụ như lực ly tâm [26]

1.2.2.1 Clinostat 2-D và 3-D

Hệ thống Clinostat là một trong những thiết bị SMG được phát minh vào thế

kỷ 19 Đây là các thiết bị quay và chủ yếu được sử dụng để nghiên cứu ảnh hưởngcủa điều kiện SMG lên thực vật Tất cả các dạng Clinostat đều có hệ thống chứamẫu vật nằm quay vuông góc với trường trọng lực để cản trở việc chúng nhận biếtđược vector gia tốc trọng trường của Trái Đất

Clinostat 2-D là một thiết bị chứa các mẫu được đặt ở trung tâm của vòngquay và được xoay liên tục quanh một trục vuông góc với hướng của vectơ trọnglực Từ rất sớm Clinostat 2-D được sử dụng phổ biến cho mục đích nghiên cứu sinhhọc trong điều kiện SMG nhằm chứng minh stress SMG đến sự thay đổi hàm lượng

protein hòa tan trong lá cây Vicia faba L [27]; nghiên cứu dữ liệu proteomic để phân tích các phản ứng của tế bào mô sẹo Arabidopsis thaliana dưới ảnh hưởng

SMG [28]; đánh giá xu hướng tiết kiệm năng lượng và cải thiện các hoạt động traođổi chất theo chiều hướng chống chịu và thích nghi với stress MG của tế bào câyThuốc lá [29]

Clinostat 3-D là một thiết bị SMG ba chiều gồm có hai trục xoay độc lậpvuông góc với nhau với tốc độ như nhau và một hướng không đổi Đã có nhiềunghiên cứu sử dụng thiết bị này cho mục đích nghiên cứu sinh lý thực vật dưới điềukiện SMG trên một số đối tượng cây trồng như cây Cải xoong [30]; cây đậu Hà Lan

và cây Bắp [31]; cây Arabidopsis thaliana [22] Từ những kết quả trên cho thấy

Clinostat đã và đang vẫn là thiết bị đơn giản và phù hợp cho mục đích nghiên cứusinh học thực vật dưới điều kiện SMG trọng lực Tuy nhiên, cần lưu ý chất lượng

mô phỏng phụ thuộc vào tốc độ quay, đường kính và thời gian xử lý mẫu [32] cũngnhư đối tượng được thí nghiệm và loại thiết bị [33].

1.2.2.2 Máy định vị ngẫu nhiên

Máy định vị ngẫu nhiên được mô tả đơn giản là thiết bị SMG mà trong đócác mẫu sinh học được quay hoàn toàn ngẫu nhiên quanh hai trục, do đó hướngtrọng lực được thay đổi định hướng liên tục trên bề mặt mẫu được xử lý, điều quantrọng nhất về nguyên lý mô phỏng cũng như tên của thiết bị là sự chuyển động củamẫu sẽ hoàn toàn ngẫu nhiên và hoàn toàn không lặp lại theo bất kỳ quỹ đạo haychu kỳ Để đạt được sự ngẫu nhiên này thiết bị được kết nối với bộ điều khiển đãlập trình các thuật toán cần thiết; mặc dù có sự ngẫu nhiên về hướng, tốc độ nhưngvẫn có thể xem RPM là một phiên bản khác của Clinostat 3-D

Tương tự như Clinostat, RPM đã và vẫn đang là thiết bị hữu ích cho các thínghiệm nghiên cứu thực vật dưới điều kiện SMG Kraft và cộng sự (2000) đã sosánh sự thay đổi và phân bố các plastid trong tế bào columella (tế bào nhận biết

trọng lực có vị trí gần chóp rễ) cây Arabidopsis thaliana trong trường hợp SMG từ

máy RPM cho kết quả tương tự với điều kiện TMG [34] Barjaktarović và cộng sự(2007) đã báo cáo rằng có sự khác biệt về hiệu quả SMG giữa Clinostat và RPM lên

sự thay đổi số lượng protein trong các tế bào mô sẹo cây Arabidopsis thaliana [35].

Gần đây, Faraoni và cộng sự (2019) đã nghiên cứu chu trình glyoxylate trong suốt

quá trình nảy mầm của hạt giống Pinus pinea dưới điều kiện trọng lực thay đổi sử

Khối lượng mẫu

Dòng điện 12 - 15V, giao diện truyền tín hiệu kỹ thuật số RS232 (422) kết nốivới video và máy ảnh

Nhìn chung, có thể thấy các nghiên cứu về vai trò của trọng lực đối với thựcvật có thể được thực hiện dưới sự hiện diện của trọng lực (1 g) hoặc dưới điều kiệntrọng lực thay đổi Các nghiên cứu về phản ứng của thực vật dưới điều kiện trọnglực thay đổi đặc biệt là dưới điều kiện MG được xem như một phương pháp hữuhiệu, một hướng giải quyết mới cho mục đích tìm hiểu các cơ chế, chứng minh cácgiả thiết về vai trò của trọng lực với thực vật góp phần thúc đẩy ngành khoa học cơbản cũng như ngành khoa học vũ trụ phát triển Vì vậy, trong nghiên cứu này cácmẫu cấy được nuôi vô trùng trong các đĩa petri và cố định trên trục của Clinostat 2-

D cho mục đích SMG

1.3 Quá trình phát sinh hình thái của thực vật dưới điều kiện MG

Phát sinh hình thái thực vật là một quá trình sinh học mà sự phát triển và biệthóa của tế bào dẫn đến sự hình thành cấu trúc hoặc hình thái của mô, cơ quan đơn lẻhoặc cơ thể hoàn chỉnh [38] Quá trình sinh học này của thực vật trong hơn 400triệu năm tiến hóa của chúng đã sử dụng trọng lực như một tín hiệu đáng tin cậynhất Tuy nhiên, điều quan trọng là việc làm rõ cách trọng lực quy định quá trìnhphát sinh hình thái của thực vật dường như đã bị lãng quên Do đó, việc nghiên cứuthực vật trong điều kiện trọng lực bị thay đổi có thể trả lời câu hỏi trọng lực đã tácđộng như thế nào tới quá trình phát sinh hình thái của chúng [39]

Phát sinh hình thái của thực vật dưới điều kiện MG đã được bắt đầu nghiêncứu vào cuối thế kỷ 20 bằng báo cáo của Hoson và cộng sự (1999); theo đó, hạt củacây Lúa và hạt cây Arabidopsis thaliana L đã được gieo trồng trên chuyến bay vào

vũ trụ của tàu con thoi Kết quả cho thấy, hình thái của lá mầm và rễ cây Lúa trênkhông gian có sự thay đổi so với đối chứng trên mặt đất; cụ thể lá mầm bị uốn cong

và rễ phát triển theo nhiều hướng khác nhau ở điều kiện MG; trong khi ở điều kiệnđối chứng, lá mọc lên trên và rễ hướng xuống dọc theo vectơ trọng lực Đối với cây

Arabidopsis thaliana L., các lá mầm vươn dài lên trên ở điều kiện mặt đất, trong khi

kéo dài ra theo nhiều hướng khác nhau ở điều kiện MG Mặt khác, rễ cây

Arabidopsis thaliana L mọc dọc theo bề mặt của đĩa thạch mà không bao giờ mọc

trong môi trường thạch [39]

Sau đó một năm, Takahashi và cộng sự (2000) khi nghiên cứu trên cây Dưaleo đại diện cho họ Bầu bí nhận thấy rằng hầu hết cây con của chúng hình thànhmột chốt trên vùng chuyển tiếp giữa trụ dưới lá mầm và rễ để loại bỏ vỏ hạt sau khinảy mầm Việc hình thành chốt này được cho rằng có liên quan đến trọng lực nhưngkhông có bằng chứng thuyết phục cho sự phát sinh hình thái đã bị trọng lực chiphối, do đó, nhóm nghiên cứu đã tiến hành gieo hạt Dưa leo trên không gian để trảlời câu hỏi liệu trọng lực có cần thiết cho việc hình thành hoặc quy định vị trí củachốt hay không Kết quả nghiên cứu cho thấy, trong điều kiện MG cây con Dưa leophát triển hai chốt đối xứng tại vùng chuyển tiếp giữa trụ lá mầm và rễ Như vậy, sựhình thành chốt không yêu cầu hiện diện của trọng lực và sự phát triển của một chốt

đã bị triệt tiêu khi phản ứng với trọng lực Điều này cho thấy, trọng lực đã kiểm soáttiêu cực đến quá trình phát sinh hình thái [40]

Gần đây, hạt của cây Đậu đỏ khi gieo trên không gian đã cho thấy lá mầmhướng xiên lên trên so với lá mầm hướng thẳng đứng ở điều kiện mặt đất Chiều dàicủa trụ trên lá mầm trong không gian rất khác nhau, nhưng tỷ lệ cây con có trụ trên

lá mầm cao hơn đối chứng Kết quả này chỉ ra rằng sự phát sinh hình thái và sinhtrưởng được biến đổi trong điều kiện MG trong không gian Ngoài ra các trụ trên lámầm được trồng trong không gian có khả năng chống uốn cong tốt hơn so với đốichứng Điều này được giải thích rằng trong điều kiện MG, nơi thực vật không phảichống lại lực hấp dẫn, hình dạng cơ thể và độ cứng của thành tế bào có thể bị thayđổi [41]

Có thể nhận thấy rằng, mặc dù việc nghiên cứu về quá trình phát sinh hìnhthái của thực vật dưới điều kiện MG đã được đề cập hơn 20 năm về trước, tuy nhiênviệc bố trí thí nghiệm diễn ra trên không gian gặp nhiều trở ngại về kinh phí và trình

độ khoa học kỹ thuật nên các công bố về vấn đề này còn rất hạn chế Mặt khác,nguồn mẫu thực vật được sử dụng cho các nghiên cứu này đều là hạt giống, tức làphôi hợp tử đã trưởng thành nên dẫn đến việc khó có thể đánh giá giai đoạn sớmcủa quá trình phát sinh hình thái trong điều kiện MG Vì vậy, việc nghiên cứu phát

sinh hình thái bằng việc sử dụng kỹ thuật nuôi cấy mô tế bào sẽ khắc phục được cácvấn đề còn tồn tại nêu trên.

1.4 Quá trình sinh trưởng của thực vật dưới điều kiện MG

Sự tăng sinh tế bào thực vật được tiến hóa cùng với sự thay đổi của điều kiệntrọng lực trên Trái Đất Thông thường, sự phát triển của tế bào được xác định bởiribosome hình thành thông qua các nhân con và tốc độ sản sinh của tế bào theo số

lượng tế bào trên milimet Các nghiên cứu được thực hiện với cây con Arabidopsis

thaliana được trồng trong điều kiện TMG đã cho thấy sự tăng sinh tế bào vỏ rễ

được tăng cường Đặc biệt, tế bào biểu bì của mô phân sinh rễ dài hơn với các nhâncon lớn hơn, trong khi đó, các tế bào vỏ có rất nhiều nhân con nhỏ hơn và ít hoạtđộng hơn trong điều kiện MG Vì vậy, nó đã cho thấy rằng mức độ giảm tổng hợpribosome trong các điều kiện MG là kết quả của chu kỳ tế bào được tăng tốc [42],[43], [5] Tương tự, các nghiên cứu trong cả TMG trên ISS và SMG trên RPM chothấy tăng sinh tế bào được tăng cường nhưng sự phát triển tế bào bị suy giảm [44],

[45] Ở trong một thí nghiệm khác, tế bào mô phân sinh rễ của cây Arabidopsis

thaliana phát triển trong điều kiện SMG bằng cách sử dụng Clinostat và RPM cho

thấy những thay đổi đáng kể về tốc độ tăng sinh tế bào và sự tiến triển của chu kỳ tếbào cùng với việc giảm sự phát triển của tế bào [46] Gần đây hơn, trong một

nghiên cứu đã báo cáo rằng các mô rễ mô phân sinh 4 ngày tuổi của Arabidopsis

thaliana trong điều kiện SMG (sử dụng RPM) ở trọng lực Mặt Trăng (0,17g) và

trọng lực Sao Hỏa (0,38g) cho thấy sự tăng sinh của tế bào và giảm sự phát triểncủa tế bào trong điều kiện trọng lực của Mặt Trăng; tuy nhiên, không có những thayđổi như vậy được ghi nhận trong điều kiện trọng lực của Sao Hỏa [47]

Sự tăng sinh tế bào thực vật được coi như được kiểm soát tích cực của điềukiện MG Đã có nhiều báo cáo góp phần làm rõ vấn đề này như gia tăng tốc độ tăng

sinh của đỉnh sinh trưởng rễ Arabidopsis thaliana dưới điều kiện MG [5]; gia tăng đáng kể về sinh khối của các dòng tế bào cây Thuốc lá (Nicotiana tabacum L.) khi

được nuôi dưới điều kiện SMG [48], [29]; tăng tốc chu kỳ tế bào đỉnh sinh trưởng

rễ cây Arabidopsis thaliana dưới điều kiện MG [49] Cho đến nay, các nghiên cứu

xoay quanh vấn đề làm rõ cơ chế tăng sinh tế bào trong điều kiện không trọng lực[46], [48], [29] đã chứng minh rằng trên mặt đất, các tế bào thực vật phải tiêu tốnnăng lượng để duy trì cân bằng nội môi theo hướng chống lại trọng lực Trong điều

kiện MG, năng lượng đó có thể được tiết kiệm cho quá trình khác như sinh tổng hợpcác chất chuyển hóa có lợi cho sự tăng trưởng Ngoài ra, điều kiện MG (stress lựchấp dẫn) cho phép các tế bào đi vào quá trình nguyên phân trước khi đạt được kíchthước tới hạn [46] Một cơ chế khác được giải thích dựa trên cấu trúc thành tế bào,bởi thành tế bào thực vật đóng vai trò chủ chốt trong việc điều khiển các hoạt độngphát triển và phát sinh hình thái trong cơ thể thực vật [16] Mặt khác, dưới điều kiện

MG đã có sự nới lỏng thành tế bào thúc đẩy sự tăng sinh [48] Tín hiệu trọng lựcđược cảm nhận bởi các thụ thể đặc biệt nằm trên màng tế bào Tín hiệu được cảmnhận sẽ tiếp tục bị biến đổi và truyền đến nhân tế bào thông qua sự liên kết về mặtcấu trúc hoặc sinh lý của bề mặt vi ống và màng tế bào, tiếp đó tạo ra biểu hiện củacác gen khác nhau và ảnh hưởng đến sự hình thành và cấu trúc của các thành phần

tế bào khác nhau Các thành phần của thành tế bào thực vật được chuyển hóa nhưcellulose, chất nền polysaccharide và phenolic được quy định tổng hợp Cùng lúcnày, tín hiệu biến đổi có thể được truyền qua màng tế bào và trực tiếp thay đổi hoạtđộng của các bơm proton hoặc kênh ion Theo cách này, môi trường thành tế bàođược quy định tổng hợp Ngoài ra, tín hiệu biến đổi gây ra sự tái định hướng của viống có thể dẫn đến sự điều chỉnh định hướng sắp xếp cellulose Sửa đổi môi trườngvách tế bào, kết hợp với thay đổi trong quá trình chuyển hóa các thành phần vách tếbào, và sự định hướng vách tế bào cellulose đã dẫn đến việc sinh tổng hợp vách tếbào Ngược lại, dưới điều kiện trọng lực thay đổi cơ chế này sẽ bị thay đổi, điểnhình là điều kiện MG dẫn đến hậu quả (nới lỏng thành tế bào) theo chiều hướng cólợi cho sự tăng sinh tế bào [16]

Ở cấp độ cơ thể, MG cũng là một môi trường mới lạ đối với quá trình tiếnhóa, có thể tạo ra những thay đổi đáng kể về kiểu hình của thực vật đã được một sốnhóm nghiên cứu Cây Đậu tương được trồng trên Trạm Vũ trụ quốc tế (ISS) vàđiều kiện SMG cho thấy tăng chiều dài rễ chính và rễ bên so với đối chứng trên mặt

đất [50] Trong một thí nghiệm khác trên ISS, cây Xà lách rocket (Eruca sativa

Mill.) cho thấy cây con dài ra nhưng mỏng hơn so với đối chứng 1g trên mặt đất(G) [51] Hạt Rucola được trồng trong điều kiện tối và sáng trên ISS và trên mặt đấtcho thấy sự phát triển rễ ngẫu nhiên của cây con trong điều kiện tối trên ISS Trênmặt đất, rễ được mọc theo trật tự và chồi hướng sáng đã được quan sát [52] Mộtkiểu hình thú vị đã được nhìn thấy khi bố trí thí nghiệm hạt Súp lơ và Cải xanh ở

điều kiện MG trong vệ tinh quay quanh Trái Đất trong 18 ngày Trong số 12 câySúp lơ đã trồng, có 2 cây cho kết quả tăng đáng kể trọng lượng đầu hoa, kích thướccây và sức đề kháng với bệnh thối đen Tuy nhiên, cây Cải xanh nảy mầm khôngcho thấy bất kỳ sự thay đổi kiểu hình nào như vậy [53] Trong điều kiện MG, câyRau diếp phát triển cao hơn với lá xanh đậm so với G [54].

Lúa được trồng trong điều kiện SMG bằng cách sử dụng Clinostat trên môitrường thạch trong 6 ngày với nhiệt độ không đổi 20ºC, ánh sáng 110 µmol.m-2.s-1

và độ ẩm hơn 90% cho thấy sự gia tăng đáng kể về chiều dài chồi, nhưng không

tăng chiều dài rễ [55] Cây Brassica napus nuôi cấy trên Clinostat (1 rpm

-revolutions per minute) có biểu hiện kiểu hình rễ sơ cấp dài, mảnh cho thấy ảnhhưởng của sự quay trục theo phương ngang của Clinostat [56] Tương tự, Nakajima

và đồng tác giả (2019) cho rằng điều kiện SMG (Clinostat - 2 rpm) kích thích sựkéo dài chồi và rễ của cây Đậu xanh 4 ngày sau khi gieo [57]

Trong dự án khoa học nghiên cứu tác động của điều kiện MG đến khả năng

bảo quản của hạt giống Eruca sativa được lưu trữ trên ISS trong 6 tháng đã báo báo

rằng không tìm thấy tác động nào đến khả năng tồn tại hạt giống và sự phát triểncủa cây con; mặc dù sức sống nảy mầm của hạt giảm và sự lão hóa tăng lên so vớihạt giống được lưu trữ trên Trái Đất [58] Ở trong một nghiên cứu gần đây khác, hạtLúa dưới điều kiện ánh sáng vũ trụ quay quanh quỹ đạo trong 12,5 ngày cho thấygiảm tỷ lệ nảy mầm, chiều cao cây [59] Ngược lại, hạt giống cây Đậu gieo trongClinostat (2 rpm, trong 36 giờ) cho thấy tỷ lệ nảy mầm, sức sống của hạt, chiều cao

cây được tăng cường đáng kể [60] Hạt giống cây Bóng nước (Impatiens balsamia)

được gửi lên ISS trong 6 tháng rồi mang trở về Trái Đất để nghiên cứu về khả năngnảy mầm của chúng cho thấy sau khi chịu tác động của môi trường MG đã gia tăng

tỷ lệ nảy mầm gấp 2 lần so với G [15]

Trong một nghiên cứu khác, thiết bị Clinostat 2-D tỏ ra hiệu quả trong việcnâng cao hiệu quả nhân nhanh chồi từ đốt thân cây Diệp hạ châu đắng với các chỉtiêu chiều cao cây, chiều dài đốt, số rễ, chiều dài rễ cao hơn và số ngày ra hoa sớm

hơn điều kiện G [61] Tương tự, trên đối tượng cây Sâm bố chính hoa đỏ (Hibiscus

sagittifolius Kurz.) nuôi cấy in vitro, khả năng nảy mầm, sinh trưởng, phát triển

dưới điều kiện SMG là hiệu quả hơn so với G [62]

Tóm lại, bằng cách bố trí các thí nghiệm ở điều kiện TMG và SMG, kết quảcủa các nghiên cứu cho thấy rằng điều kiện MG đã có những tác động rõ rệt đếnquá trình nảy mầm, sinh trưởng và phát triển của thực vật Tuy nhiên, đa số các thínghiệm được bố trí ở điều kiện TMG nên tốn kém và có thể chịu tác động bởi cácyếu tố gây nhiễu như bức xạ không gian Vì vậy, việc nghiên cứu ảnh hưởng củađiều kiện SMG lên sự sinh trưởng của thực vật mở ra nhiều triển vọng trong việctiết kiệm thời gian, chi phí và hạn chế các tác động không mong muốn làm sai lệchkết quả thí nghiệm.

1.5 Sự thay đổi sinh lý và sinh hóa của thực vật dưới điều kiện MG

Về sự thay đổi sinh lý của thực vật, hàm lượng chất diệp lục là một trongnhững thông số bị ảnh hưởng mạnh mẽ bởi tác động của điều kiện MG Hầu hết cácnghiên cứu cho thấy sự ảnh hưởng tích cực của điều kiện này lên sự gia tăng hàmlượng diệp lục trong lá cây [63], [64] Đã có giải thích hợp lý cho việc thay đổi vàtăng hàm lượng diệp lục này là do thể tích của màng thylakoid và chất nền stromatrong mỗi lục lạp và ty thể tăng lên đáng kể dưới điều kiện SMG [63], [65] Tương

tự, cây Lúa trong điều kiện Clinostat ở tốc độ 2 rpm (3, 5 và 7 ngày) làm tăng nhanhchóng hàm lượng diệp lục, nhưng khi thời gian nuôi cấy tăng lên làm hàm lượngchất diệp lục giảm dần [13] Dương Tấn Nhựt và đồng tác giả báo cáo rằng, hàmlượng chlorophyll trong lá của cây Bóng nước có nguồn gốc từ điều kiện TMG caohơn so với G [15] Sự tăng giảm của hàm lượng chất diệp lục ở các đối tượngnghiên cứu kể trên được lý giải bằng các quá trình sinh học liên quan đến lục lạpdưới điều kiệm SMG hoặc MG Tùy theo đối tượng và môi trường và thời gian xử

lý trong mỗi thí nghiệm, tính thấm proton của thylakoid có thể tăng hoặc giảm, cấutrúc siêu lục lạp có thể bị biến đổi như mật độ electron và hạt tinh bột trong chấtnền Ngoài ra còn có sự thay đổi đáng kể về độ uốn cong hoặc sự sắp xếp lỏng lẻocủa màng thylakoid đã ảnh hưởng đến hình thái của lục lạp, kéo theo sự tăng giảmhàm lượng chất diệp lục dưới điều kiện SMG hoặc MG [13]

Sự thay đổi trong vectơ trọng lực được sinh lý nội bào và các tín hiệu sinh hóacủa thực vật nhận diện và đáp ứng [66] Một trong những yếu tố chính ảnh hưởngđến các quá trình sinh hóa và sinh lý ở thực vật là hệ thống phytochrome – công tắcánh sáng sinh học bao gồm các tế bào cảm quang theo dõi sự thay đổi cường độ,thời gian và màu sắc ánh sáng Các thụ thể phytochrome liên kết chất mang màu

tetrapyrrole và hiện diện trong hai dạng chuyển đổi quang học: dạng hấp thụ ánhsáng đỏ (không hoạt động) và dạng hấp thụ ánh sáng đỏ xa (hoạt động) Khi nghiên

cứu các cây con Arabidopsis thaliana trồng trên ISS cho thấy một phản ứng hướng

sáng tích cực với ánh sáng đỏ mà không rõ ràng trong điều kiện G nên người ta chorằng ít nhất một số loài thực vật có hoa vẫn xảy ra hiện tượng hướng sáng với ánhsáng đỏ dưới điều kiện MG [67] Một đáp ứng tương tự với ánh sáng đỏ cũng đượcquan sát thấy ở cây Cải xoong nuôi cấy dưới thiết bị Clinostat (50 rpm); Với sựchiếu sáng đồng thời của ánh sáng đỏ (660 nm) và ánh sáng đỏ xa (735 nm), cuống

lá phát triển đáng kể và phiến lá có kiểu hình bình thường Tuy nhiên, các phiến láuốn cong và kiểu hình cuống lá bị thay đổi khi được chiếu sáng riêng biệt với ánhsáng đỏ và với ánh sáng đỏ xa [68]

Ảnh hưởng của MG đến phức hợp protein của bộ máy quang hợp(Photosystem I và Photosystem II) và diệp lục đã được nghiên cứu kỹ lưỡng Ví dụ,

cây Brassica rapa 15 ngày tuổi được trồng trong tàu con thoi Columbia (STS-87)

cho thấy số lượng grana trên mỗi lục lạp và màng thylakoid giảm đáng kể và phức

hợp Photosystem I và Photosystem II cũng giảm [69] Trong khi, cây Brassica rapa

được trồng trên tàu con thoi ở một nghiên cứu khác cho thấy hàm lượng diệp lục giatăng đáng kể so với G (Tỷ lệ chlorophyll a/b là 3,5 và 2,42; tương ứng) [70] Điềukiện MG ảnh hưởng đáng kể so với G trong các hoạt động của phức hợpPhotosystem I, Photosystem II và toàn bộ chuỗi truyền điện tử của lục lạp ở cây Lúa

mì lùn [71] Tương tự, Tripathy và cộng sự (1996) đã cho thấy, hoạt động của phức

hợp Photosystem I và Photosystem II của lục lạp ở Triticum aestivum giảm 28%

[72] Hoạt động quang hóa của phức hợp Photosystem I cũng giảm khoảng 30% ở

cây Brassica rapa [69] Nghiên cứu của Jiao và cộng sự (1998) cũng cho kết quả tương tự, phức hợp Photosystem II giảm 16 – 30% ở cây Brassica rapa trong điều

kiện MG [73] Sự thay đổi hoạt động quang hóa của phức hợp Photosystem I vàPhotosystem II được giải thích bởi cơ chế đáp ứng stress của thực vật trong điềukiện MG hoặc thực vật bị tiếp xúc với các môi trường nhất thời tạo ra sự dư thừanăng lượng ánh sáng [74]

Nghiên cứu các tác động trọng lực thay đổi lên sự tỏa nhiệt, trao đổi khí và

tốc độ quang hợp của các lá Khoai lang (Ipomoea batatas), Lúa mạch (Secale

cereale) và Lá sao trên các chuyến bay parabol cho thấy nhiệt độ lá trung bình tăng

0,9 - 1,0ºC và giảm tỷ lệ quang hợp khi trọng lực giảm từ 1,0 đến 0,01 g Ngược lại,nhiệt độ lá giảm 0,5ºC và tỷ lệ quang hợp được tăng cường một chút khi tăng mứctrọng lực từ 1,0 đến 2,0 g [75] Bằng cách thực hiện hàng loạt các chuyến bay theoquỹ đạo parabol, Kitaya và đồng tác giả (2004) đã làm rõ ảnh hưởng của sự giảmtrọng lực lên sự trao đổi nhiệt độ và khí giữa lá cây và không khí xung quanh [76].Trong thời gian 20 giây ở điều kiện MG trong chuyến bay theo quỹ đạo parabol,

nhiệt độ của lá Khoai lang (Ipomoea batatas) và Lúa mạch (Secale cereale) tăng lên

nhanh chóng với giá trị tối đa tương ứng là 1,9ºC và 1,3ºC Bằng cách tăng tốc độkhí từ 0,2 m/s lên 1,0 m/s nhiệt độ của lá trong cả hai loại cây trên đã hạ xuống[77] Hiệu suất quang hợp thuần của lá lúa mạch giảm 13 – 20% ở điều kiện MG và

tốc độ không khí thấp (< 0,2 m/s) [76] Cây Lúa mì lùn (Triticum aestivum) được

trồng trong 21 ngày ở cường độ chiếu sáng vừa phải (~300 µmol.m-2.s-1) và nồng độ

CO2 cao (1.500 µmol.m-2.s-1) trong hệ thống sản xuất sinh khối trên ISS cho thấytình trạng MG không ảnh hưởng đến sự chống chịu của khí khổng và tốc độ trao đổikhí như là hiệu suất quang hợp thuần và sự thoát hơi nước [78]

Tóm lại, mặc dù rất nhiều nghiên cứu về phản ứng của thực vật ở tình trạng

MG, nhưng ảnh hưởng của sự bức xạ ion hóa ở bộ máy quang hợp cụ thể vẫn cònrất hạn chế [79] Tác động của tia vũ trụ lên quang hợp hoặc trao đổi chất ở thực vậtvẫn chưa được nghiên cứu, đồng thời, ảnh hưởng của điều kiện MG lên quá trình cốđịnh CO2 để tạo ra carbohydrate với sự tham gia của các enzyme chưa được làm rõ.Ngoài ra, cơ chế phản ứng oxy hóa khử của chuỗi truyền điện tử electron dưới tácđộng của điều kiện MG vẫn chưa được tường minh

Vì sự đối lưu không có ở trạng thái MG, rễ cây chỉ được cung cấp thêm oxythông qua quá trình khuếch tán, vì vậy rễ có thể trở nên thiếu oxy [78] Một số thửnghiệm đã ghi nhận những thay đổi sinh lý của rễ ở điều kiện MG là có sự thiếu hụtoxy trong vùng rễ [80] Nghiên cứu của Liao và cộng sự (2004) đã chỉ ra rằng điềukiện MG gây ra sự ức chế khả năng tích lũy oxy trong chất nền của vùng rễ [81].Trong một thử nghiệm bao gồm nhiều phân tích chi tiết hơn về sự trao đổi chất của

rễ ở trong không gian, Stout và cộng sự (2001) đã nghiên cứu phản ứng của thực vật

ở nhiều giai đoạn phát triển khác nhau Theo đó, các cây trưởng thành và ra hoa chothấy hoạt động của alcohol dehydrogenase tăng 48,9% trong khi đó cây con, câychưa trưởng thành thì hoạt động của alcohol dehydrogenase tăng 47% Có lẽ những

sự khác biệt này là do hệ thống rễ phát triển hơn và nhu cầu về năng lượng cao hơn

ở các cây già [82] Những kết quả nghiên cứu trên cho thấy tầm quan trọng củatrọng lực là nhằm duy trì chức năng sinh lý bình thường của cây Đặc biệt, nhữngkết quả này cung cấp chứng cứ mạnh mẽ rằng môi trường không gian có thể cungcấp oxy bão hòa ở rễ trong mối liên hệ của chất nền với hiệu quả của nó trên TráiĐất [83] Việc giải phóng ethylene bởi rễ trong các buồng ngập nước cũng cần được

sự chú ý đặc biệt trong các thử nghiệm không gian để ngăn chặn sự tích tụ trao đổikhí này trong buồng sinh trưởng [84]

Vai trò của lạp bột trong thuyết lực hấp dẫn đã được ghi chép rõ ràng trongcác tài liệu Các tế bào sỏi thăng bằng chứa lạp bột giúp tích tụ tinh bột lắng xuốngđáy của các tế bào cảm ứng trọng lực, được gọi là tế bào thăng bằng Quá trình lắngnày rất quan trọng trong cơ chế nhận biết trọng lực của thực vật Cây Vân sam trắng

(Picea glauca) một năm tuổi được nghiên cứu trong điều kiện MG trên Trạm Vũ trụ

Quốc tế (ISS) đã cho thấy sự phân bố ngẫu nhiên của các lạp bột trong tế bàochuyên hóa của chồi và rễ Tuy nhiên, ở điều kiện đối chứng trên mặt đất, các lạpbột được lắng đọng chắc chắn ở gốc thân [11] Loạt các thí nghiệm trong chươngtrình không gian Bion đã làm sáng tỏ đáng kể động lực học của sỏi thăng bằng khi

đáp ứng với môi trường MG Ví dụ, thử nghiệm với rễ cây Lepidium sativum ở

chuyến bay vệ tinh Bion-11 và Clinostat đã kết luận rằng vị trí các tế bào thăngbằng của một rễ thẳng đứng được điều chỉnh cao bởi trọng lực, và nó bị suy giảmđáng kể trong điều kiện MG [85] Trong một thí nghiệm khác trên vệ tinh Bion-10,khoảng cách trung bình của các sỏi thăng bằng đến vách tế bào của tế bào thăng

bằng ở rễ sơ cấp của Lepidium sativum tăng lên đáng kể Tuy nhiên, kích thước lạp

bột và sỏi thăng bằng giảm và không thay đổi về số lượng và hình dạng [8] Với thínghiệm trên vệ tinh Bion-10, cho thấy một sự khác biệt đáng kể về vị trí của các tếbào thăng bằng và các lạp thể ở rễ cây Cải xoong Trong rễ hình thành ở điều kiện

MG, nhiều lạp thể tích tụ ở trung tâm của tế bào (trái ngược với điều kiện trọng lựcthực), trong đó các lạp bột thường tập trung ở phần cuối rất xa của vùng tế bào rễ[86] Clinostat 2-D và trong điều kiện TMG cho thấy đã làm thay đổi tương tự sự

phân bố của lạp bột ở Đậu lăng (Lens culinaris L.) [87] Cây Cải xoong dưới điều

kiện Clinostat (50 rpm) cho thấy sự khác biệt về thời gian trong chuyển động dọccủa lạp bột trong các tế bào rễ và tế bào trụ dưới lá mầm [88]

Quản lý nước và chất dinh dưỡng được xem là một trong những khía cạnhkhó khăn nhất của việc trồng cây trong không gian Như chúng ta đã biết, nhữnghiểu biết về ảnh hưởng của các yếu tố không gian trong việc hấp phụ, vận chuyển,phân phối nước và chất dinh dưỡng trong cây là rất hạn chế Dựa vào sự giảm mức

độ trọng lực trong không gian, sự vận chuyển và trao đổi khí, nước và các phân tửnhỏ như các ion trở nên khuếch tán có giới hạn, nếu không có một vài dòng hoặcchuyển động mạnh [80] Như vậy, việc giảm sự đối lưu nhiệt là nguyên nhân làmgiảm sự thoát hơi nước ở cây (là một lực mạnh chủ yếu để vận chuyển nước trongxylem) và bằng cách này sự hấp thu nước và chất dinh dưỡng theo con đường thoáthơi nước được kích hoạt [80] Hệ quả quan trọng khác là sự giới hạn hiệu suất sinhhọc của oxy, đặc biệt là ở vùng rễ do chất dinh dưỡng hấp thu ở rễ phụ thuộc vào sựtrao đổi hiếu khí và ion hấp thu có thể giảm nồng độ oxy xung quanh rễ Phân tíchcác rễ ở ngoài không gian cho thấy, sự thủy phân đường và tổng hợp enzyme lênmen nhanh, đặc biệt là alcohol dehydrogenase, là chất chỉ thị cho sự thiếu hụt oxy

và trao đổi chất trong vùng rễ [80]

Một vài nghiên cứu đã cố gắng ước tính ảnh hưởng có thể xảy ra của môitrường không gian lên dinh dưỡng ở thực vật Các thử nghiệm của Nga trên trạmSalyut và Mir cho thấy, sự sinh trưởng giảm sút của cây Đậu và Lúa mì trồng trongkhông gian so với đối chứng trong phòng thí nghiệm và sự ức chế sinh trưởng này

có liên quan đến vấn đề về dinh dưỡng [89] Phân tích hóa học của mẫu thực vật tìmđược cho thấy, các cây được trồng trong không gian có lượng nitơ thấp hơn nhiều

và kali cao hơn ở cả thân và rễ, khi so sánh với đối chứng dưới mặt đất Kích thíchđiện (electrostimulation) của rễ ảnh hưởng đáng kể đến sự phân phối lại dinh dưỡngtrong cây, đặc biệt là trong các cây trên không gian và giúp cây vượt qua một số ảnhhưởng bất lợi gây ra bởi tình trạng không trọng lực trong sự hấp thu dinh dưỡng[90] Trong một nghiên cứu ước tính lượng canxi tự do và màng bên trong cây chothấy, ở tình trạng MG (các thử nghiệm trên trạm không gian Salyut 6), các mức độcanxi trong tế bào rễ cây Đậu tăng lên so với đối chứng trên mặt đất [91]

Canxi trong tế bào chất (Ca2+) được coi là chất truyền tin thứ cấp nội bào phổbiến, và sự kích thích do thay đổi trọng lực được biết là có thể nâng cao nồng độ

Ca2+ tự do trong tế bào chất [92], [93] Mối tương quan chặt chẽ giữa sự dịchchuyển sỏi thăng bằng và sự giải phóng các ion canxi tự do đã được thiết lập Ví dụ,

rễ cây Brassica napus được hình thành trong môi trường MG và mô phỏng siêu

trọng lực trên ISS được cho thấy sự dịch chuyển sỏi thăng bằng thấp hơn và một sốlượng lớn các chất kết tủa pyroantimonate – một dấu hiệu cho thấy sự gia tăng mức

Ca2+ tự do [94] Tương tự, các tế bào rễ cây Đậu được trồng trên trạm quỹ đạoSalyut 6 cho thấy mức Ca2+ tự do trong tế bào cao hơn để đáp ứng với điều kiện

MG, và điều đó lại ức chế trao đổi Ca2+ [94]

Tóm lại, nhiều nghiên cứu trước đây cho thấy có dấu hiệu dinh dưỡng ở thựcvật bị ảnh hưởng bởi môi trường không gian, tuy nhiên, kết quả của những nghiêncứu này còn hạn chế và chưa đủ sức thuyết phục Porterfield (2002) đã chỉ ra rằngảnh hưởng của trọng lực là hiện tượng vật lý cơ bản của tất cả các vấn đề, nhưngảnh hưởng như thế nào đến hệ thống sinh học thì điều này cần phải tiếp tục đượclàm rõ trong các nghiên cứu trong tương lai về dinh dưỡng của thực vật dưới điềukiện không trọng lực [80]

Về sự thay đổi sinh hóa, trong những năm đầu khi nghiên cứu thực vật trongkhông gian, một số thí nghiệm cho thấy hàm lượng tinh bột thấp hơn nhưng hạt tinhbột lại lớn hơn ở cây Đậu nành [95] và lục lạp không có tinh bột hoặc với các hạt

nhỏ hơn và phá hủy một phần màng thylakoid trong tế bào sợi của Funaria

hygrometrica [96] Nghiên cứu về tác động của điều kiện MG lên sự thay đổi quá

trình trao đổi chất ở thực vật cho thấy có sự khác biệt đáng kể về sự tích lũy các hợpchất hoặc thay đổi các yếu tố sinh hóa theo chiều hướng chống lại stress phi sinhhọc như sự tích lũy carotenoid và anthocyanin trong hạt nảy mầm [97]; sự gia tăngcác enzyme thúc đẩy chu trình glycoxylate trong hạt nảy mầm [36]; hoạt độngenzyme amylase được tăng cường và sự phân giải nhanh chóng của tinh bột [98],hàm lượng phyllanthin [61]; tăng tích lũy hợp chất saponin và coumarin [62]

Cây Xà lách rocket (Eruca sativa Mill.) nuôi cấy trên ISS cho thấy các thông

số sinh hóa như glucose, sucrose, tinh bột và hàm lượng carotenoid tổng số bị ảnhhưởng tiêu cực [51] Tuy nhiên, không có sự khác biệt nào được quan sát thấy ởhàm lượng tinh bột, đường hòa tan, hoặc lignan trong lá và trong sinh khối khô của

mỗi cây Lúa mì lùn (Triticum aestivum) được trồng trong 21 ngày ở cường độ chiếu

sáng vừa phải (~300 µmol.m-2.s-1) và nồng độ CO2 cao (1.500 µmol.m-2.s-1) trong hệ

thống sản xuất sinh khối trên trạm ISS [99] Các mẫu Khoai tây (Solanum

tuberosum) được trồng trong tình trạng MG dưới điều kiện môi trường có kiểm soát

và thoáng khí cho

thấy hình dạng, kết cấu bề mặt và kích thước các loại hạt tinh bột tương tự với điềukiện G [100] Al-Awaida và cộng sự (2020) báo cáo rằng cây con Lúa mì lùn

(Triticum aestivum) nảy mầm dưới điều kiện MG thể hiện tiềm năng chống oxy hóa

và hàm lượng chất chuyển hóa chống oxy hóa tăng lên đáng kể [101] Tác động của

MG mô phỏng lên hạt Thông (Pinus pinea) chỉ ra sự gia tăng đáng kể hoạt động của

các enzyme quan trọng tham gia vào quá trình đường phân (pyruvate kinase), chutrình Krebs (isocitrate dehydrogenase), quá trình oxy hóa beta (3-hydroxy acyl-CoAdehydrogenase) và con đường pentose (glucose-6-phosphate dehydrogenase) saukhi nảy mầm [36]

Musgrave cộng sự (1998) đã chứng minh trong nghiên cứu của mình rằng sựthiếu thoáng khí ở điều kiện MG làm giảm hàm lượng carbohydrate xuống 40%

(đặc biệt là glucose và tinh bột) ở cây Arabidopsis thaliana khi so sánh với G.

Ngược lại, khi một luồng không khí liên tục được cung cấp cho cây thì kết quả thuđược không có sự khác biệt về hàm lượng carbohydrate của cây trong cả hai điều

kiện [102] Ngoài ra, Đậu nành (Glycine max) từ thử nghiệm ở điều kiện thoáng khí

thì không có sự khác biệt so với G về kích thước, phân bố, mật độ và hàm lượngamylase trong hạt tinh bột [9]

Tóm lại, từ các nghiên cứu trên cho thấy rằng, điều kiện MG đã có những tácđộng đáng kể đến sự tích lũy năng lượng, các hợp chất thứ cấp và sinh hóa của thựcvật Tuy nhiên, các nghiên cứu mới chỉ mới tập trung trên một số đối tượng thực vậtnên cần mở rộng để làm rõ thêm việc thích ứng với điều kiện sống trên vũ trụ là khảthi đối với thực vật Trong đó, việc kích hoạt các cơ chế đáp ứng bằng sự thay đổihoạt tính kháng oxy hóa của thực vật trong môi trường MG cần tập trung nghiêncứu sâu hơn

Như vậy, các thí nghiệm sinh học thực vật dưới điều kiện TMG và các điềukiện SMG đã giúp chúng ta đạt được hai mục tiêu chính: (i) làm sáng tỏ hiểu biết cơbản về thực vật hoặc tế bào thực vật trong sự cảm nhận đối với trọng lực, kích thích

và phản ứng hoặc thích ứng với điều kiện MG và (ii) theo đó là các ứng dụng đểđảm bảo an ninh dinh dưỡng cho phi hành đoàn làm việc trong không gian

Các loài thực vật khác nhau cho những đáp ứng khác nhau đối với điều kiện

MG Các nghiên cứu đã tiến hành tập trung vào sự thay đổi của các phản ứng sinh

lý, sinh hóa nội bào, quá trình sinh trưởng và phát triển Tuy nhiên, số lượng nghiên

cứu về ảnh hưởng của MG, đặc biệt là SMG còn khá hạn chế do khan hiếm về thiết

bị Các đối tượng thực vật nghiên cứu chưa đa dạng về chủng loài, các nghiên cứuchưa đề cập sâu tới quá trình phát sinh hình thái, phát sinh phôi, cơ chế của sự sinhtrưởng, phát triển hoặc nghiên cứu ở cấp độ phân tử, biểu hiện gen Ngoài ra, đối

tượng thực vật nuôi cấy in vitro mới chỉ được nghiên cứu ở cây mô hình

Arabidopsis thaliana và số ít loài khác như Lúa, Thuốc lá nên vấn đề này cần được

mở rộng, làm rõ thêm trong thời gian tới

Vì vậy, cần tiến hành nghiên cứu sâu hơn về những vấn đề còn tồn tại nêu

trên, đặc biệt tập trung vào đối tượng thực vật nuôi cấy in vitro trên các thiết bị

SMG nhằm tiết kiệm chi phí và bổ khuyết cho một lĩnh vực mới rất thú vị cho mộtcuộc cách mạng về tạo giống, cũng như đảm bảo an ninh lương thực, cải tạo môitrường sinh thái cho sứ mệnh chinh phục không gian của loài người

1.6 Sơ lược về đối tượng thực vật

1.6.1 Cây hoa Thu hải đường (Begonia × tuberous)

Thu hải đường hay Bát nguyệt xuân là loại cây thân củ với khoảng 1795 loài,

chi Begonia là chi lớn thứ năm trong ngành thực vật hạt kín [103] Theo thống kê

đến hết năm 2015, Việt Nam có khoảng 58 loài Thu hải đường [104]

Các giống Thu hải đường được lai tạo để cho hoa đẹp, màu sắc hoa và lá rực

rỡ, đa dạng như màu đỏ, đỏ tươi, hồng, vàng và trắng nên trở thành loài hoa đượccon người yêu thích Thu hải đường ưa khí hậu mát mẻ và dễ nhân giống nên càngngày trở nên phong phú về chủng loài, chúng có thể được trồng từ hạt, nuôi cấy mô

tế bào hoặc giâm từ lá, thân trong điều kiện ẩm ướt [105] Hiện nay trên thế giới có

5 giống lai được trồng phố biến bao gồm: Begonia × rex, Begonia × cane,

Begonia

× semperflorens, Begonia × trailing, Begonia × tuberous.

Thu hải đường lai Begonia × tuberous là loại hoa được ưa chuộng phổ biến ở

Hoa Kỳ với thị trường rất sôi động có giá trị khoảng 60 triệu USD Ở Việt Nam,

Thu hải đường lai Begonia × tuberous được trồng chủ yếu ở Đà Lạt (Lâm Đồng) và

một số vùng trồng hoa chuyên canh khác nhằm cung cấp hoa trồng chậu thươngmại Hằng năm, Công ty Dalat Hasfarm luôn dành khoảng 5 – 10 hecta trong tổngdiện tích canh tác để trồng hoa Thu hải đường với hàng chục màu sắc khác nhau.Khoảng 75% sản lượng hoa Thu hải đường của Dalat Hasfarm được xuất đi tiêu thụ

ở nước ngoài, trong đó có Nhật Bản, Đài Loan, Singapore,

Trong nghiên cứu sinh học, việc nghiên cứu phát sinh hình thái và sinh trưởng

in vitro trên cây hoa Thu hải đường được nghiên cứu phổ biến với nhiều mô hình

khác nhau, trong đó kỹ thuật nuôi cấy lớp mỏng tế bào được xem như mô hình đơngiản đem lại hiệu quả cao [106] Các nghiên cứu này với mục đích tạo ra số lượnglớn cây giống sạch bệnh và đồng nhất về mặt di truyền để cung cấp cho ngành sảnxuất hoa chậu quy mô công nghiệp [107], thiết lập quy trình tái sinh chồi bằng kỹ

thuật nuôi cấy lớp mỏng tế bào [106], tối ưu hóa quy trình nhân giống in vitro

[108], tái sinh tạo cây hoàn chỉnh từ mẫu cánh hoa [109] Tuy nhiên, quá phát sinh

hình thái và sinh trưởng in vitro dưới điều kiện SMG vẫn chưa được nghiên cứu.

Vì vậy, để đánh giá sự phát sinh hình thái và sinh trưởng in vitro của cây hoa

Thu hải đường dưới điều kiện SMG, luận án này đã sử dụng kỹ thuật nuôi cấy lớpmỏng tế bào cuống lá cắt ngang (p-tTCL) để tạo nguồn mẫu ban đầu nhằm tối ưuhóa phương pháp nghiên cứu

1.6.2 Cây Dâu tây (Fragaria × ananassa Duch.)

Lịch sử xuất hiện của Dâu tây được cho rằng vào những năm 23 - 79 sau Công

nguyên trong những bài viết của nhà tự nhiên học Pliny Dâu tây bản địa (Fragaria

virginiana) được trồng đầu tiên ở Bắc Mỹ và nhập khẩu vào Châu Âu vào những

năm 1600 Một số tài liệu khác cho rằng các nhà thám hiểm đã tìm thấy Dâu tây

hoang dại ở Chile (Fragaria chiloensis) vào những năm 1700, tuy nhiên loài này

không thích nghi được với nhiều dạng khí hậu Tại Bắc Âu và Pháp, Dâu tây rừngđược trồng sớm nhất vào những năm 1300 Đến năm 1714, Dâu tây hiện đại là dạng

lai giữa loài Fragaria chiloensis với Fragaria virginiana xuất hiện và dần thay thế

cho các loài trước đây [110]

Dâu tây thuộc là cây ăn trái quan trọng do có vị thơm ngon đặc trưng, chứachất dinh dưỡng cần thiết cho con người như các loại vitamin C, B1 và khoáng chấtnhư kali, canxi, sắt Ngoài ra, trái Dâu tây còn chứa các hợp chất phenolic nhưanthocyanin, glucose cinamoyl, ellagitannin, axit elgalic có vai trò chống oxy hóa[111]

Cây Dâu tây được trồng thương mại phổ biến ở hơn 80 quốc gia trên thế giớivới tổng diện tích gần 375 ngàn hecta, trong đó tập trung ở các nước như TrungQuốc, Hoa Kỳ, Tây Ban Nha, Thổ Nhĩ Kỳ, Ai Cập và Mexico với sản lượng hàng

đầu Ở Việt Nam, Dâu tây được trồng chủ yếu ở Đà Lạt (Lâm Đồng) với diện tíchchuyên canh khoảng 190 hecta đem lại giá trị kinh tế rất lớn.

Trong nghiên cứu sinh học, vi nhân giống cây Dâu tây được xem là phươngpháp tối ưu để thu nhận cây con sạch bệnh, đồng nhất về di truyền và đạt số lượnglớn Các nghiên cứu tập trung về vai trò của các chất điều hòa sinh trưởng lên quá

trình tạo mẫu in vitro, hình thành mô sẹo, sinh trưởng và phát triển của chồi hoặc

tạo cây con hoàn chỉnh [112], [113], [114] Vì vậy, đánh giá vai trò của điều kiện

SMG lên quá trình phát sinh hình thái và sinh trưởng in vitro của cây Dâu tây nhằm

tìm hiểu sự thích nghi và đáp ứng sinh học trong điều kiện bị stress trọng lực củacây trồng là hướng nghiên cứu mới và cần thiết

1.6.3 Cây Diệp hạ châu đắng (Phyllanthus amarus Schum et Thonn.)

Cây Diệp hạ châu đắng hay còn gọi là cây chó đẻ răng cưa, diệp hòe thái, lãonha châu

Diệp hạ châu đắng là một loại cây cỏ mọc hằng năm, cao khoảng 30 cm, thângần như nhẵn, mọc thẳng đứng, mang cành, thường có màu đỏ Lá mọc so le, lưỡng

lệ trông như lá kép, phiến lá thuôn, đầu nhọn hay hơi tù, mép nguyên nhưng có răngcưa rất nhỏ, mặt dưới màu lơ xanh, không cuống hay có cuống rất ngắn Cây Diệp

hạ châu đắng mọc hoang ở khắp nơi trong nước ta cũng như ở khắp các nước vùngnhiệt đới [115]

Diệp hạ châu đắng được dùng để làm thuốc ở dạng tươi hoặc phơi khô Trongdân gian thường dùng để chữa bệnh đinh râu, mụn nhọt, bệnh gan, sốt, đau mắt, rắncắn [115] Cây có chứa nhiều hợp chất thứ cấp quan trọng có dược tính như axit, cáctriterpen một vài alkaloid, các dẫn xuất phenol và lignan Trong đó, quan trọng nhất là

các lignan chỉ có ở chi Phyllanthus như phyllanthin, hypophyllanthin Tác dụng quan

trọng nhất của phyllanthin, hypophyllanthin là tham gia vào thành phần của các loạithuốc chữa bệnh gan Phyllanthin, hypophyllanthin chiết xuất từ Diệp hạ châu có thểbảo vệ được tế bào gan chống lại các chất gây tổn thương tế bào gan nghiêm trọngnhư paracetamol, carbon tetrachlorid (CCl4), ethanol, aflatoxin B1 và galactosamintrên các mô hình thử nghiệm trên động vật [116] Ngoài ra, các nghiên cứu cho thấyhai lignan này trên Diệp hạ châu đắng có khả năng giảm đau, tăng đào thải axit uric ức

chế virus như: virus gây bệnh viêm gan B thử nghiệm trên in vitro và in vivo, virus

HIV gây hội chứng suy giảm miễn dịch ở người [117] Bên cạnh hai lignan làphyllanthin và